Nieuwe nanotech zal een ‘gezonde’ elektrische stroomproductie in het menselijk lichaam mogelijk maken

Een nieuwe nanotechnologie-ontwikkeling door een internationaal onderzoeksteam onder leiding van onderzoekers van de Universiteit van Tel Aviv zal het mogelijk maken om elektrische stromen en spanning in het menselijk lichaam te genereren door de activering van verschillende organen (mechanische kracht). De onderzoekers leggen uit dat de ontwikkeling een nieuw en zeer sterk biologisch materiaal omvat, vergelijkbaar met collageen, dat niet-toxisch is en geen schade toebrengt aan de lichaamsweefsels. De onderzoekers zijn van mening dat deze nieuwe nanotechnologie veel potentiële toepassingen in de geneeskunde heeft, waaronder het oogsten van schone energie om apparaten die in het lichaam zijn geïmplanteerd (zoals pacemakers) te bedienen via de natuurlijke bewegingen van het lichaam, waardoor batterijen niet meer nodig zijn.

De studie werd geleid door Prof. Ehud Gazit van de Shmunis School of Biomedicine and Cancer Research aan de Wise Faculty of Life Sciences, de Department of Materials Science and Engineering aan de Fleischman Faculty of Engineering en het Centre for Nanoscience and Nanotechnology, samen met zijn laboratoriumteam, Dr. Santu Bera en Dr. Wei Ji.

Aan het onderzoek deden ook onderzoekers van het Weizmann Institute en een aantal onderzoeksinstituten in Ierland, China en Australië mee. De onderzoekers ontvingen naar aanleiding van hun bevindingen twee ERC-POC-grants om het wetenschappelijk onderzoek uit de ERC-grant te benutten dat Gazit eerder had gewonnen voor toegepaste technologie. Het onderzoek is gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Natuurcommunicatie.

Prof. Gazit, tevens oprichter van het Blavatnik Center for Drug Discovery, legt uit: “Collageen is het meest voorkomende eiwit in het menselijk lichaam en vormt ongeveer 30% van alle eiwitten in ons lichaam. Het is een biologisch materiaal met een spiraalvormige structuur en een verscheidenheid aan belangrijke fysische eigenschappen, zoals mechanische sterkte en flexibiliteit, die nuttig zijn in veel toepassingen.Omdat het collageenmolecuul zelf echter groot en complex is, zijn onderzoekers al lang op zoek naar een minimalistisch, kort en eenvoudig molecuul dat is gebaseerd op collageen en vertoont vergelijkbare eigenschappen.Ongeveer anderhalf jaar geleden, in het tijdschrift Natuurmaterialen, publiceerde onze groep een studie waarin we nanotechnologische middelen gebruikten om een ​​nieuw biologisch materiaal te ontwikkelen dat aan deze eisen voldoet. Het is een tripeptide – een zeer korte molecule genaamd Hyp-Phe-Phe die uit slechts drie aminozuren bestaat – in staat tot een eenvoudig proces van zelfassemblage om een ​​collageenachtige spiraalvormige structuur te vormen die flexibel is en een sterkte heeft die vergelijkbaar is met die van het metaal titanium. In de huidige studie hebben we geprobeerd te onderzoeken of het nieuwe materiaal dat we hebben ontwikkeld een ander kenmerk heeft dat collageen kenmerkt: piëzo-elektriciteit. Piëzo-elektriciteit is het vermogen van een materiaal om elektrische stromen en spanning te genereren als gevolg van de toepassing van mechanische kracht, of vice versa, om een ​​mechanische kracht te creëren als gevolg van blootstelling aan een elektrisch veld.”

In het onderzoek creëerden de onderzoekers nanometrische structuren van het gemanipuleerde materiaal en oefenden ze met behulp van geavanceerde nanotechnologische hulpmiddelen mechanische druk uit. Uit het experiment bleek dat het materiaal inderdaad elektrische stromen en spanning produceert als gevolg van de druk. Bovendien toonden kleine structuren van slechts honderden nanometers een van de hoogste niveaus van piëzo-elektrisch vermogen ooit ontdekt, vergelijkbaar of superieur aan die van de piëzo-elektrische materialen die tegenwoordig algemeen worden aangetroffen op de markt (waarvan de meeste lood bevatten en daarom niet geschikt zijn voor medische toepassingen) .

Volgens de onderzoekers is de ontdekking van piëzo-elektriciteit van deze omvang in een nanometrisch materiaal van groot belang, omdat het het vermogen van het geconstrueerde materiaal aantoont om als een soort kleine motor voor zeer kleine apparaten te dienen. Vervolgens zijn de onderzoekers van plan om kristallografie en computationele kwantummechanische methoden (density functional theory) toe te passen om een ​​diepgaand begrip te krijgen van het piëzo-elektrische gedrag van het materiaal en daardoor de nauwkeurige engineering van kristallen voor de bouw van biomedische apparaten mogelijk te maken.

Prof. Gazit voegt toe: “De meeste piëzo-elektrische materialen die we tegenwoordig kennen, zijn giftige materialen op basis van lood of polymeren, wat betekent dat ze niet milieuvriendelijk zijn en niet milieuvriendelijk. Ons nieuwe materiaal is echter volledig biologisch en daarom geschikt voor gebruik in het lichaam. Een apparaat dat van dit materiaal is gemaakt, kan bijvoorbeeld een batterij vervangen die energie levert aan implantaten zoals pacemakers, hoewel het van tijd tot tijd moet worden vervangen. Lichaamsbewegingen, zoals hartslag, kaakbewegingen, stoelgang of elke andere beweging die regelmatig in het lichaam plaatsvindt, zal het apparaat opladen met elektriciteit, waardoor het implantaat continu wordt geactiveerd.”

Nu, als onderdeel van hun voortdurende onderzoek, proberen de onderzoekers de moleculaire mechanismen van het gemanipuleerde materiaal te begrijpen met als doel het immense potentieel ervan te realiseren en deze wetenschappelijke ontdekking om te zetten in toegepaste technologie. In dit stadium ligt de focus op de ontwikkeling van medische apparaten, maar prof. Gazit benadrukt dat “milieuvriendelijke piëzo-elektrische materialen, zoals degene die we hebben ontwikkeld, een enorm potentieel hebben op een breed scala van gebieden omdat ze groene energie produceren met behulp van mechanische geweld dat toch al wordt gebruikt. Een auto die over straat rijdt, kan bijvoorbeeld de straatverlichting aandoen. Deze materialen kunnen ook de loodhoudende piëzo-elektrische materialen vervangen die momenteel wijdverbreid worden gebruikt, maar die aanleiding geven tot bezorgdheid over het lekken van giftig metaal in de omgeving.”